（控制理论与控制工程专业论文）神经网络预测器在供热系统中的应用.pdf

两安建筑科技大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 。! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 神经网络预测器在供热系统中的应用 专业：控制理论与控制工程 硕士生：钱荣 指导教师：任庆昌教授 摘要 随着城市建设的迅速发展，集中供热成为我国北方地区城市现代化建堤所采取的方案之 一。供热系统的不断扩大，如何有效地控制和管理整个热力系统，提高热力系统的经济效益 和社会效益，成为各供热企业急需解决的重要课题。 我国的供热技术比较落后，! t i - 论在设计、安装、运行，管理和设备生产等方面都需要进 行研究和提高。按建筑物使用性质的不同，供暖制度可分为两大类：连续供暖制度和问歇供 暖制度。对于悔! 歇供暖毒4 度，其预热时间( t p ) 的精确估计是十分必要的。对预热时间过分 的估计( 即t p 的估计值大于实际值) 会使在工作期未到来前房问的温度已经达到了舒适温度， 这将导致燃料的浪费；反之，对预热时问估计不足( 即t p 的估计值小于实际值) 将使在工作 期到来时房问的温度还未达到舒适温度，这使人觉得不舒适。 本文通过分析建筑物内部某一时期存热源和外界环境影响f 的温度变化过程，找出了变 化规律。退过$ 且 以嗫理，从热力学系统角度出发，建立了怕j 歇供暖加热过程的数学模型，并 进行了系统的混合仿真实验。实验的硬件部分采用模拟机来实现，软件部分使用v i s u a lb a s i c 6 0 语言来实现。其接口通信，数据采集使用的是e c h e l o n 公司的l o n w o r k s 技术。混合仿真 的主要任务是为后续预测器的建模做准备，得到建模所需要的输入输出数据对。 本文预测器的实现采用的是神经网络方法，神经网络作为种新型的方法，在各个领域 有着广泛的应用。本文采用神经网络方法建立了非线 生特性的时间预澳4 模型，其算法使用的 是经过改进的b p ( b a c k - p r o p a g a t i o n ) 算法。b p 网络是人工神经网络中前向网络的核心内容， 它在函数逼近、模式识别、数据压缩等方面使用非常广泛。m a t l a b 语言是一种非常强大 的工程语言，其内部的神经网络工具箱使b p 算法的实现变的非常简便。 本文利用神经网络建立的时间预测模型对系统作了预测，预测误筹小于3 ，预测效果 良好，能够实现节能的日的。 关键词：集中供热；混合仿真：预测器；神经网络 堕室壅塑型型望耋丝尘兰堡丝兰。，。，。一 t h e a p p l i c a t i o n o fn e u r a ln e t w o r kp r e d i c t o r i nh e a t i n gs y s t e m s p e c i a l t y ：c o n t r o lt h e o r y a n dc o n t r o le n g i n e e r i n g n a m e ： q i a nr o n g i n s t r u c t o r ：p r o f r e nq i n g c h a n g a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dp r o g r e s so fc i t yc o n s t r u c t i o n ，t h ec e n t r a lh e a t i n gh a sb e c o m eo n eo f s c h e m e s a d o p t e d i nt h ec o n s t m c t i o nt or e a c h c i t ym o d e m i z a t i o n i nn o r t hc h i n a t h e p r o b l e m o f h o w t oc o n t r o la n dm a n a g et h ew h o l eh e a t i n gs y s t e me f f e c t i v e l ya n dt h u se n h a n c ei t se c o n o m i ca n d s o c i a lb e n e f i t sh a sb e c o m e i m p o r t a n ts u b j e c tt h a te v e r yh e a t i n ge n t e r p r i s eu r g e n t l yw a n t st or e s o l v e w h i l et h eh e a t i n gs y s t e mi sb e i n g e n l a r g e dg r a d u a l l y t h et e c h n o t o g yo ft h eh e a t i u gc o n t r o li sa tl o w e rl e v e rc o m p a r e dw i t hd e v e l o p e dc o u n t r ya n d t h e r ea r em a n ya s p e c t si n c l u d i n gd e s i g n i n g ，i n s t a l l a t i o n ，o p e r a t i o n , m a n a g e m e n ta n dp r o d u c t i o no f f a c i l i t i e sa r en e e dt ob es t u d i e da n dt h i st e c h n o l o g yi sa l s ot ob ei m p r o v e d a c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n c eo f t h eu s i n gc h a r a c t e r so f b u i l d i n g s ，t h eh e a t i n gs y s t e mi sd i v i d e di n t ot w o c m e g o f i e s ，t h e c o n t i n u o u s h e a t i n gs y s t e ma n d t h ei n t e r m i t t e n th e a t i n g s y s t e m t o t h ei n t e r m i t t e n th e a t i n g s y s t e m ，i t i se s s e n f i a lt oe s t i m a t ea c c u r a t e l yt h ep m h e a tt i m e o v e r e s t i m a t i o no f p r e h e a tw i l lc a u s eu n n e c e s s a r y e n e r g yw a s t a g ew h i l s tu n d e r e s t i m a t i o nw i l ll e a dt oal o s so fc o m f o r tc o n d i t i o n sa tt h es t a r t o f o c c u p a n c y i nt h i st h e s i s ，t h el a wo f c h a n g ep r o c e s s o ft h ei n n e rp a r to f b u i l d i n ga f f e c t e db y h e a tr e s o u r c e a n de n v i r o n m e n tw a sd e t e c t e d f r o mt h et 螂s p e c t i v eo f t h e r m o d y n a m i cs y s t e m ，t h em a t h e m a t i c a l m o d e lo f t h e p r o c e s so f i n t e m a i t t e n th e a t i n g w a se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so f s i m i l i t u d ep r i n c i p l ea n da h y b r i ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e ds y s t e m i c a l l y t h eh a r d w a r eo f t h i se x p e n n e mw a s r e a l i z e db y u s i n gt h ea n a l o g u em a c h i n e w h i l et h es o f a v a r ew a sr e a l i z e db y a d o p t i n g v i s u a lb a s i c6 0 l a n g n m g e t h el o n w o r k st e c h n i q u eo fe c h e l o nc o r p o r a t i o nw a su s e di ni n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o n a n dd a t ec o l l e c t i o n t h eh y b r i ds i m u l a t i o na p n o a c h sm a i np u r p o s ew a st og a i ni n p u ta n do u t p u t d a t af o rf o l l o w i n gc o n s m l c t i o no f m o d e lf o rp m d i c t o r i nt h i st h e s i s ，t h ep m d i c t o ry e a si m p l e m e n t e d b yu s i n gn e u r a ln e t w o r k t h a ti sw i d e l ya p p l i e di n e a c hf i e l da san e w m e t h o d b yu s i n gn e u r a ln e t w o r kt h et i m e p r e d i c tm o d e l f u l lo f n o n l i n e a r i t y w a s e s t a b l i s h e da n d t h e i m p r o v e d b p ( b a c k - p r o p a g a t i o n ) a l g o r i t h m s w a s i n t r o d u c e d i n t h i s w o r k t h eb a c k p r o p a g a t i o nn e t w o r ki st h ec o r ep a r to f a h e a d - p r o p a g a t i o nn e t w o r ki na r t i f i c i a ln e u r a l 1 1 西安建筑科技大学硕十学位论文 n e t w o ma n di sw i d e l y a p p l i e d i nm a n y a s p e c t ss u c h a sf u n c t i o na p p r o a c h ，m o d ed i s t i n g u i s h i n ga n d d a t ac o n d e n s a t i o n m a il a bi sak i n do fv e r yp o w e r f u lp r o j e c tl a n g u a g ew h o s ei n n e rn e u r a l n e t w o r kt o o l sm a k et h er e a l i z a t i o no f b a c k - p r o p a g a t i o na l g o r i t h m sm o r ee a s i l ya n dc o n v e n i e m t h et i m e - p r e d i c t i n gm o d e lc o n s t r u c t e do nt h eb a s i so fn e u r a ln e t w o r kh a sb e e np u ti n t o p r a c t i c eo i ls y s t e m i nt h i st h e s i sa n dt h er a t i oo f e r r o rw a s l e s st h e n3 w h i c hw o u i db ea g o o d r e s u l t a n di n d i c a t e dt h a tt h ea i m o f s a v i n ge n e r g y c o u l db er e a c h e d p e r f e c t l y k e y w o r d s ：c e n l r a lh e a t i n g ，h y b r i ds i m u l a t i o n ，p r e d i c t o r , n e u r a ln e t w o r k 声明 y ：6 1 7 0 2 5 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 分戋靖、 日期：毒。牛6 中 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：拿支茸、导师签名：i 幺彦多日期：。4 、凸中 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 现代社会的发展对能源的需求很高，特别在我圉，能源短缺的问题尤其严重，它限制了 社会主义发展建设的脚步。为解决这一矛盾，降低能源消耗量和提高能源利用率成了各行各 业的重要任务。 智能建筑( i n t e l l g e n tb u i l d i n g ) 二十世纪八十年代出现于美国，九十年代在我国问 世，目前发展势头强劲。智能建筑“以人为本”，向人们提供个安全、高效、舒适、便利 的环境。f 神寸也把有效地节约能源作为其重要的发展目标之一。 在各种能量消耗中，建筑是用能大户，建筑能耗通常是指建筑物使用过程中消耗的能 源，主要包括采暖、空调、降温、热水供应、炊事、家用电器和照明等能耗。欧美发达国家 建筑能耗一般占到全国总能耗的3 ( p a - - 4 0 ；在我幽，1 9 9 6 年全国能源消费总量为1 3 8 8 亿 吨标准煤，而建筑使用的能耗占全国能耗总量的3 7 。随蓿现代化建设的发展和人民生活水 平的提高，舒适的建筑环境同箍成为人们的生活需要。为了适应国民经济的持续发展，节约 能源已是刻不容缓的问题。 我固供暖事业发展很快，其能源消耗量所占比重也是很大的。但是我国的供暖技术比较 落后，无论在设计、安装、运行，管理和设备生“等方面都需要进行研究和提高。 按建筑物使用性质的不同，供暖制度可分为两大类：其一是连续供暖制度，即每天2 4 小时内部是使用时问，要求室内平均温度全天都保持设计温度。其二是间歇供暖，即每天的 使用时问并不是2 4 小时，甚至每周内也不是每天都要求供暖，只要求在使用时问内的室内 平均温度保持设计温度，其它时 u 可以刚氐温度。一般来说，连续使用的建筑采用连续供暖 制发，间歇使用的建筑采用间歇供暖制度。 1 2 课题研究的主要内容 间歇使用的建筑应当采用问歇供暖制度，只在使用时间内保持室内设计温度而存非使用 时问内低于设计温度，其全天的室内外平均温度差就低于连续供暖时的平均温度差，节省燃 料。j f 是山于问歇供暖可以节省燃料，在工程中，间歇供暖制度得到了广泛的应用。i 训歇供 暖运 j 二的原理图如卜1 1 所示： 西安建筑科技大学硕士学位沦文 房问温度 ，i ：始笑断 图11 间歇供暖运行原理图 整个供暖系统的运行分为四个阶段：预热期、工作期、预关断期和关断期。预热期的室 内丁f 温曲线的坡度与建筑物的蓄热性能和热负荷的间歇附加值的人小有关；预关断期的降温 曲线的坡度与建筑物的蓄热性能有关。升温曲线和降温曲线的坡度陡缓程度影响全天室内平 均温度的高低，也就影响燃料节省的程度。另外，预热期的预热时削t p ( t p = t l - t o ) 和预关断 期的预关断时恻t s ( t s - t 3 一t 2 ) 也是影响燃料节省的重要因素。本文就是通过研究预热时问 t p 来达到节能的目的。以下重点说明预热时问t p 。 间歇供暖系统，其建筑物的温度在非使用时削要降低，为了在使用者早晨进入之前把温 度提高到下常值，一段预热时问是需要的。那么，预热时徊j 究竟要多氏，这只能通过估计得 到。从图1 1 上分析可知，对预热时间过长的估计( 即t p 的f 占计值大于实际值) 会使在工作 期末到来前房问的温度已经达到了舒适温度，这将导致燃料的浪费；反之，对预热时间估计 不足( 即t p 的估计值小于实际值) 将使在工作期到来时房i 刈的温度还未达到舒适温度，这使 人觉得不舒适。凶此，对预热时间t p 进行精确的估计足十分必要的。 对_ j 不同的建筑物来说，预热时间是不同的，它t 要取决于以下三个因素： ( 1 ) 外部环境条件，如室外温度、太阳辐射、风向等等。 ( 2 ) 建筑物的蓄热性能。 ( 3 ) 供暖对象的热特性，即建筑物每小时从供暖系统得到的热量。 建筑物的供暖过程，是山供暖热力系统和建筑物热力系统串联工作实现的。供暖热力系 统山热源、管道及散热设备组成。建筑物热力系统由室内空气和物品及围护结构所组成。 西安建筑科技大学硕士学位论文 存问歇供暖过程中，供暖热力系统从热源获得热量，由管道输送给散热设备，并放热给 建筑物，多余部分转为供暖热力系统内热能，使系统温度( 如供回水温度、管道及散热设备 本身温度) 不断升高。同时，建筑物热力系统从散热设备得热，并向窜外环境散热，多余热 量被建筑物本身所吸收，使室内空气和物品及围护结构温度升高。 1 3 课题的背景 西安市明德门小区是西安市最大的安居工程，西安市的用热大户之一，小区采用集中供 热方i 。明德门小区热力站供热面积6 ( ) 多力- 平方米，管】坶长度近百公罩，供热半径fk 令 部管网采用聚氨酯预制保温管道直埋方式，由两台输出功率为2 9 m w 的热水锅炉和一台输山 功率为1 4 m w 的热水锅炉供给热源。本文是针对明德门小区热力站的集中供热系统为背景来 进行阐述的。 1 4 国内外研究现状 对供暖系统的运行，根掘气候条件和负荷变化采取间歇工作方式是工程中普遍应用的控 制规则。但足如何使系统的启动、关闭、运行时间分配可以在满足用户需求的前提下，最大 限度的节约能源，却是一个值得不断探索的问题。出于建筑物及设备系统具有炼以建克模型 以及受随机干扰的影响很大的原因，传统的采用固定模型和固定启停时蒯的方法难以得到最 佳控制。8 0 年代初英困牛津大学的学者a l d e x t e r 和英国专家g l b a r n e y 等人提出了供暖 系统的自适应预报和丌关控制策略，并且在西欧国家得到了应用。 这一控制策略的科学性及优越性在于：( 1 ) 避开t n 量建筑物热工特性的复杂过程，用 系统辨j ，h 方法建立预加热及预关断模型：( 2 ) 该预报模型在外部环境干扰之下有自适应调整 特性；( 3 ) 控制策略容易在计算机上实现；( 4 ) 间歇运行的启停时问较准确合理，节能效果 明显。 此后，a l d e x t e r 等又于9 0 年代发表了“用于h v a c 系统的鲁棒性白调节预测控制器” ”】以及“h v a c 专家控制系统”。p 1 丁f 1 0 r e z 和g c b a r n e y 于1 9 8 6 年发表了“集中供暖系统 的自适应_ 窀制”。6 】7 1 g a r e j a - s a n z 和j f l o r e z 发表了“基丁一种鲁棒性梯度算法的供暖 系统的自适应最佳启停时问控制”。j | ” 十几年来，在我国还几乎没有见到类似的研究报道和实际应用，差距很大。近几年来， 我网的大型智能建筑基本上都是采用国外进口楼，j i 广品。其中，美国h o n e y w e 1 等公司的系 统亡u 以提供节能型软件，但技术秘密不公丌且价格贵，、k 主望而l 去步，加上许多q k 主和房地 产丌发商节能意谚 不强，大多数木引起重视，使这一领域基本上形成窀白。 西安建筑科技大学硕上学位论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 自! ! ! ! ! ! _ 1 5 课题研究的目的、意义、方法和要解决的问题 15 1 研究的目的、意义 随着经济的发展，全罔范围内环保、节能的呼声越来越高，利用先进的科学技术，合理 分配热量，止现有的热能充分发挥作用，为更多的用户提供更好的供热服务是供热企业的首 要任务。将自动化控制引入供热系统中，对供热系统进行调节才能满足新形势下的供热需求。 在供热行业大力推广计算机控制技术必将是今后的发展方向。 本文拟通过对建筑物供暖系统预热时间的估计及热源的间歇控制，挖掘供热源i ，能的巨 大潜力。这是建筑节能的另一途径。但它必须通过优良的自动控制策略和技术才能实现。 152 研究方法 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a n n 或n n ) 的研究始于本世纪4 0 年代。 半个世纪后的今天，神经网络方法得到了广泛的应用。人工神经网络是眭i 大量简荦的处理单 元组成的非线性、自适应、自组织系统，是对人啮或自然神经网络( n a t u r a ln e u r a ln e t w o r k ) 若干基本特性的抽象和模拟。本文f 是利用神经网络方法的非线性系统辨i = 的优越性建立起 非线性预测模型，对问歇供暖系统进行控制，达到节能的目的。 1 5 3 本论文的框架和要解决的问题 1 论文框架 本文共分为五章，主要按照图1 1 2 的思路进行研究的。 2 要解决的问题 本文的研究要解决以下问题： ( 1 )利用相似仿真原理，建立实际系统的模拟数字混合仿真模于 ! 并进行仿真，得到预 测模型所需数据。涉及的硬、软件及接口通信漫计，用v i s u a l b a s i e 6 0 编制了相 应的仿真软件。 ( 2 )利用神经网络方法在建模h 的优越性，建立具有非线胜特性的时削预测模型。 ( 3 )基于m a t l a b 平台，编制建模所需的训练算法及预测算法，对集中供热系统的提前 加热时间进行预测。 西安建筑科技大学硕士学位论文 引列课题内锌渊研午收集资料剥 集小供热系统进行特性分析，掌 握目f 究现状。 利h j 收集的资料，进行仿真实 验，土要包括其嫂什软什没计， 得纠设训神纤刚络预洲器所需的 数据。 摹 - m a t l a b 、r 台的预测模口辨 口 对集叶1 供热系统的提前加热 时拍j 进行预测。 结论 图12 本文的研究框架 西安建筑科技大学硕i 一学位论文 2 1 集中供热系统简介 2 供热系统的特性分析 众所周知，供热就是用人【：方法向室内供给热量，保持一定的室内温度，以创造适宜的 q i 活条件或工作l f v f 4 = 的技术。所有供热系统都山热媒制备( 热源) 、热媒输送和热媒利用( 散 热设备) 三个主要部分组成。根据三个二f 要组成部分的相互位置关系来分，供热系统口j 分为 局部供热系统和集中式供热系统。热媒制备、热媒输送和热媒利用三个主要组成部分在构造 上都在一起的供热系统，称为局部供热系统。热源和散热设备分别设置，用热媒管道相连接， 由热源向各个房间或各个建筑物供给热量的供热系统，称为集中式供热系统。其示意图如下： 图21集中式热水供热系统示意图 l 一热水锅炉：2 一散热器；3 一热水管道： 4 一循环水泵；5 一膨胀水箱 集中供热系统是由热源、热用户和热网三部分组成。热源负责制备热水，热力网负责热 媒f 向车俞送，热用户是指用热场所。集中供热系统的热用户有供暖、通风、热水供应、宁气调 苛及生产：艺等用热系统。这些用热系统热负荷的大小及其性质是供热规划和设计的最重 要依据。按其性质可分为两大类：季节性热负荷和常年性热负荷。 集巾供热系统可按下列方式进行分类： 1 根据热媒小同，分为热水供热系统和蒸汽供热系统。 2 根据供热管道的不同，可分为单管制、双管制和多管制的供热系统。 西安建筑科技大学硕_ 上学位论文 3 根据热源不同，主要可分为热电厂供热系统利区域锅炉房供热系统。此外，也有核 供电站、地热、工业余热作为热源的供热系统。 热水供热系统按系统的密闭性可分为丌式和闭式两种型式。在闭式系统中，热网的循环 水仅作热媒，供给热用户热量，而不从中墩出使用。在丌式系统中，热网循环水部分或全部 从热网中取出，直接用丁- 生产或热水供应。 2 2 系统的特性分析 2 21 管网的阻力特生 流体在管网中流动叫必须克服管道阻力，流体产生定的压力损失。流体在管道中压力 损失与管径、管网布置形式和流体的流动速度( 或流量) 有关。其基本计算公式如f ： a p = 粥2p a( 2 1 ) 或日= s g 2m h ，0( 2 2 ) 式中， p 、h 分别为以p a 或m h ，0 为单位的管段压降； g 管段的体积流量，m3 h ： s 管段的阻力特性系数，单位为p a ( m3 h 。) 2 时，由式( 2 3 ) 计算： 单位为m h ，0 ( m3 h 。) 2 时，由式( 2 4 ) 训算。 矿0 2 5 s = 6 , 8 8 1 0 。9 等( ，+ o ) p p a ( m3 h 。) 2( 2 3 ) s = 7 。2 l 矿万k 0 2 5 ( 1 + l a ) 式中d 管段内径，m ： 1 管道长度，r l l ； ，。阀门、弯头等部件的局部阻力的当量长度，m ： k 管道的绝对粗糙度，对于热水供热系统，般k - 0 5 f i 矾。 s 向物理意义足通过单位流量管道( 或管网) 阻力的变化。当水的密度p ( k g m ，) 为 常数时，s 值只是管道直径、长度、绝对粗糙度的函数，即管道阻力特性系数s 的大小只取 决于管道( 或管刚) 的结构。由公式( 2 ： ) 、( 2 4 ) 可失u ，管道直径愈小，其阻力变化愈大： 相反，管道直径愈大，阻力变化愈小。对于一定的管网( 管径、长度、布置形式及阀门丌度) ， 其阻力特性系数田定f i 变，流景与压降呈。一对应的关系，所以，我们可以通过控制供热系 统中最不利环路的供回水压差或系统用户的供水压力，调节流量。 西安建筑科技人学硕上学位论文 。! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 自! ! 1 2 22 供热系统的水力工况 供热系统中流量、压力的分布状况称为系统的水力工况。供热系统供热质量的好坏，与 系统的水力工况有着密切的联系。供热系统正常运行时对水门i 的基本要求：保征用户有足够 的资用压头( 指热网提供给该用户室内系统叮能消耗的最犬压力) ，保证散热设备彳i 被脏坏， 保证供热系统充满水小倒空，保证系统不汽化，否则供热系统不能f 常运行。为此，需要通 过对系统的水压分析，制定合理的静水压线和恒压点。静水压线表示供热系统在静1 【：状态下， 系统内热媒的总水头值，办即系统充水后保证系统各点都能灌满水的最低水头值。这是系统 l f 常运行的前提条件。在供热系统运行或者停止状态下，压力始终恒定不变的点称为恒压点。 同一个供热系统中，在无泄漏补水并忽略热媒体积膨胀的前提下，恒压点的压力值唯一日等 丁静水压线值。保证恒压点压力恒定的技术措旌，称为供热系统定爪。确定定门i 方式，是供 热系统设计的重要内容。 供热系统的定压方式有补水泵定压、膨胀水箱定压、补水泵变频调速定压、气体定压等 多种。 1 补给水泵定压方式是目前国内集中供热系统最常用的种定压方式。热水供热系统 由热源处的热水锅炉，外网供、回水管及热用户构成一个封闭的热水循环系统，循环水泵驱 使网络水循环流动。热水供热系统的定压装置是山补给水箱、补给水泵及压力调节器等组成 ( 剧2 2 ) 。 当系统f 常运行时，通过压力调节器的作用，使补给水泵连续补给的水量与系统的t t * 漏 水量相适应，从而维持系统动水压曲线的位置。当系统循环水泵停止工作时，同样用来维持 系统所必需的静水压曲线位置。 2 膨胀水箱定压。膨胀水箱和大气连通，如图2 3 是典型的膨胀水箱定压模式。膨胀 水箱连接于循环水泵吸入侧回水管的0 点，系统的静压力l l o 由水箱的水位高度形成的水柱 静压造成，膨胀水箱上的水位控制器控制水泵自动启停。因膨胀水箱与循环水泵吸入侧的回 水管相连，管网系统各点的压力均高于压力h 0 ，不会产生压力过低之处。但当膨胀水箱安装 在距离锅炉房较远的较高建筑物内时，就会浪费许多管道，特别在静压与动胍之和h o + h 1 超 过设备承受能力时，更得不偿失，这时就不要把膨胀管拉回锅炉房，而连接到就近的回水干 管上，这样1 1 0 + h i 的值就可以减少。有时为了阿氐锅炉房及其附近的建筑物内设备所承受 的压力，以防爆裂，措施之一就是把膨胀水箱安装存锅炉房以外距循环水泵较远的建筑物上。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 图22 补给水泵定压方式示意图 补给水箱；2 一补给水泵；3 一安全f | i | ：4 一加热装置 5 一网络循环水泵；6 一压力调节器；7 一热_ 【| ；| 户； 图2 3 膨胀水箱定压方式示意图 l - 补水箱；2 补水泵；3 一l r 同矧； 4 一开式膨胀水箱；5 循环水泵 3 补水泵变频调速定i l i 。它的基本原理是根掘供热系统的压力变化，改变电源频率， 平滑无极地调整补水泵转速，从而及时渊节补水量，实现系绕厦压点压力的恒定。 该定压方式的关键设备是变频器，其工作原理是把通常5 0 h z 的交流电先变为直流电， 再经过逆变器把直流电变换为另种频率的交流电。由于电源频率的改变，从而达到补水泵 q 西安建筑科技人学硕卜学位论文 调速的目的。频率与转速的关系可由卜式表示： n = 6 0 f fl s ) p ( 2 5 ) 式中n 异步电机即水泵转速，r m i n ； 产一电源频率 s 异步电机转差率，即电机定了旋转磁场j 车子转速之差值比 p 电机的极对数 m 卜式可知，当p 、s 一定时，电机即水泵转速与输入电源的频率成f 比关系。频率愈高， 转速愈陕，频率愈小，转速愈陧。水泵的流量g ( m 3 h ) 、扬程h ( m ) 、功率p ( k w ) 和叶 轮转速n ( r m i n ) 之间有如下关系： gnhn 2 p1 1 3 g 一1 1r h ，一n 2 p ，一n r 3 由上式可知，水泵流量与频率也成正比关系，调节频率即调节转速，则可直接调节补水 泵的补水量。变频调速变流量叵压供水定压方式，运行平稳、故障率低、节约电能，是值得 进一步开发普及的新技术。 4 气体定压一般采用惰性气体( 氮t 1 ) 。这种定压方式目前丰要呵用于供水温度较高的 热水供热系统中。它是利用氮气罐内的压力随系统的水温升高而增加，同时，罐内气体起着 缓冲压力传播的作用。因而f i e 较好地防止系统出现汽化及水击现象，运行安全可靠。但它需 要氮气，设备复杂，罐体体积较犬。 热水供暖系统定压方式的选择，应根据t 程实际情况，充分利用现有的定压设备及可利 用的压力资源，尽量减少设备投资，减小能耗，最大限度地满足热水供暖系统安全、经济、稳 定的运行需要。 2 2 3 供热系统的热力工况 在采暖系统运行过程中，各热用户( 或各房阳j ) 之间冷热小均的现象称为热力失调。实 际运行的流量、压力分布睛况称为实际水力工况。m 丁设计、施工和运行等多种原冈，实际 水力丁况很难完全按照设计水力工况运行，有时甚至差别很人。供热系统这种设计水力工况 与实际水力工况的不一致性，称为供热系统的水力失调。水力失调( 流量分配不均) 是影响 系统供热效果的重要因素，是热力失调的根本原因。 水力失调的程度可用实际流量和规定流量的比值关系来表示，即 v 肖= 2( 2 6 ) 心 式l _ r 水力失调度： 西安建筑科技大学硕士学位论文 旷崩i 用户或散热设备的实际流量，m 、h ： f 该热用户或散热设备的规定流量，i n3 h 。 对于整个网路或整个用广系统来说，各热用户和各散热设备的水力失调原因是多方面 的。存设计中，山于管道内热煤的流速0 i 允许超过限定流速以及可供选择的管道规格有限， 在网路各分支环路或用户系统各分支环路之f j ，其压力损失不可能达到绝对平衡。运行过程 中，热用户的流量发生变化，运行初期没有进行很好的初调节或系统扩建后没有重新调整也 可能导致水力失凋。因为热水供暖系统是一个封闭的整体，在系统中任何个热用户或散热 设备的流量发生变化，必然会引起其它热用户或散热设备的流量发生变化，即系统流量在各 用户或散热设备之i 剐重新分配，引起水力失调。 在热水供暖系统运行过程中，最常见的是不一致失调，一般为离热源较近的热用户流量 过多，而离热源较远的热用户流量不足，即所谓近热远冷热力失调。消除这种热力失调现象， 必须对系统网路进行初调整。如果系统初调整较好，而循环水泵与系统不匹配，流量太大或 太小，必将引起热用户或散热设备致失调，在某中程度上，对不同形式的室内系统也容易 引起热力失调。解决水力失调的办法，通常是用改变某些热用户进、出口阀门开度和调整、 匹配水泵来完成。 供热系统因水力失调即流量分配的不均匀引起用户水平方向和乖直方向的室温偏差，我 们称之为供热系统的热力失调。热用户实际室温与其实际平均室温的偏差，反映了供热系统 热力工况的失调程度。若用实际室温t 。，与实际平均室温t ，。的比值定义热力工况的失调度 x 。，则有 爿。：生 ( 2 7 ) t ，p 追求热力工况稳定，既不发生水力失调( 各热用户间或立管问) ，也不出现乖直失调， 使各供暖房间室温均匀一致，这是供热系统重要的控制目标之一。但是由于设计、施工安装 和运行等多种原因，目前我国供热系统普遍存在冷热不均现象。如何消除供热系统的热力工 况水平失调和垂直失调，保证用户供暖质量，实现按需供热，一直成为人们十分关注的课题。 2 3 供热系统的调节 由于供热系统中热用户的热负荷并彳i 是恒定的，如供暖通j x l 热负荷随室外气象条件变 化，热水供应和生，。工艺用热随使用条件等因素变化。要保证供热质量，满足各热用户要求， 并使热能制备和输送合理，就要对供热系统进行运行调节也就是供热调节， 在集中热水供热系统中，供暖热负荷是系统的最主要的热负荷，甚至是唯一的热负荷。 因此，在供热系统中，通常按旦c i 供暖热负荷随室外温度的变化规律，作为供热渊节的依据。 西安建筑科技犬学硕士学位论文 供热系统调节的目的是存保证热用户要求的条件下，使用户管网、热源之削的水力工况和热 力工况胁调一致，既保证供暖质量，义不浪费燃料。目前，供热系统的调节大体可分为两个 方面，一是系统的初调节，即室外供热网络和室内系统的环路主支管的调节，使其流量和室 内温度达到没计要求；二是运行调节，即在管网运行期问，根据窀外气温的变化对供热系 统的热媒流量和温度、供热的时问进行调节，使系统的供热量利用户的需热量基本一致。 根据供热调节地点不同，供热调节可分，勾集中调节、局部渊节和个体调节i 种。集中凋 节在热源处进行，局部调节在热力站或热用户引入口进行，个体调节直接在散热设备处进行 调节。集中供热调节容易实施，运行管理方便，是最主要的供热调节方法。 237 供热系统的初调节 在供热系统建成投入运行前，通过调节安装在热网及室内系统上的阀门，排除水平与 垂直失调，以达到在设计工况下保证室温的目的，因系运行初期所进行的调节，故称为初调 节。下面是供热系统的初调节的计算依据。 根掘流体力学和工程热力学基本理沦，供热系统的热量、流量和作用压力的关系为： | p = s v 2 m h ，0( 2 8 ) q = c v p - a t w( 2 9 ) 式中：p 用户系统的作用压头，m h ，0 ： v _ ； 户的热水流量，m3 h ； s 用户的阻力系数，h 2 5 ： q 用广1 的供热量，矿； p 循环水的密度，k m3 ； c 。水的比热，j 堙。c ； & 供回水温差，o c 。 当系统达到热力稳定后，记录下各用户供回水温差和压力差及热源总供回水温差，然后 顺序调节应使热用广- 调节后的供回水压力差为： 式中： “= 1 0 3 10 6 ， 廿： f 坐 2 吐 l a t ， ( 2 1 0 ) 只调节前热用户记录的供回水压力差，m h ：0 ； ，调节前热用户记录的总供叫水温差，o c ： 出，调节前热源记录的总供回水温差，o c ； “修下系数。当用户的供回水温差人十热源总供回水温差时， 偏筹大时耿较大值，偏差小时取较小值。当用户的供同水温筹小于热源总供 堡丝墼些丝丝堂塑兰坠一 回水温差，。= 0 9 5 0 9 8 ，偏差大时取较小值，偏差小时取较大值。 初调后，待系统达到新的稳定状态，再进行读数记录、计算、调节，这样反复进行，直 到满足要求为j p 。 2 3 2 供热系统的运行调节 1 ) 供热系统运行调节的基本公式 供暖热负荷供热调节的主要任务式维持供暖房屋的室内计算温度t n 在供热系统稳定t 况下，如不考虑管| 蛳台途热损失，则刚路的供热量应等于供暖用户系 统散热设备的散热量，同时也应等于供暖热用户的热负荷。 在供暖室j , t - 7 , t 算温度为“7 ，散热设备采用散热器时，则有如下的热平衡方程式： q i = 岷( ，。一f ) ( 2 1 1 ) q 2 = s 。眠( f 。一。 ) ( 2 1 2 ) q = g ，( ，。- t 。) ( 2 1 3 ) q l = q 2 = 易 ( 2 1 4 ) 式中： q 热水网路输送给供暖热用户的热量，w ； q 2 散热器放出的热量，w ： q 3 建筑物的供暖设计热负荷，w ； w 。散热器的流量热当量，( k j ( h ) ； t f 一供热系统供水温度，( ) ： “供热系统凹水温度，( ) ； e 。散热器的有效系数； t r 供暖房间室内计算温度；( ) ； q v _ 建筑物在室内外温著为1 时的热耗失量( w l 。c ) ： t w _ 一室外温度( ) ； 将以上各式与式( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 联立 s 。2 丽三一r 2 1 5 l 1 十“ c o 。 ( 2 1 6 ) 一q 西安建筑科技大学硕土学位论文 蛾：鞋 ( 2 1 7 ) ( 0 n = 二丁了 l 厶 t p t 。 式中：u 。散热器工况系数； u 混水装置的混合系数； u 。7 摹本工况下的散热器系数； 石。= qr q ：任意上况下供暖耗热量与基本工况卜供暖耗热量的比值 瓢= 毵，系统水侧流量热当量在任意上况下与摹本工况下的比值 b 散热器传热指数，一般b = o 1 70 ，3 7 ： t ：，t ：散热器水侧设计供、回水温度，c c ) ； t ：散热器设计供回水平均温度，( ) ； t ：供暖房剧室内设计温度，( ) ： 可导出运行调节的基本公式： ”瓦t - t “蕊 1 8 同叫，为了便于分析计算，假设供暖热负荷与室内外温差的变化成正比，即把供暖 指标视为常数( q ，= q ，7 ) ，但实际上，由于室外的j x 【速和风向，特别是太阳辐射热 的变化与室内外温差无关，因此，这个假设会有一定的误差。如不考虑这误差影响，则： q 。= 等 ( 2 1 9 ) 烧式( 2 ，1 7 ) 代入式( 2 1 6 ) ，并化简，即得： t 。一n + 抄1 卜z 。( 普卜篙 将( 2 1 7 ) 式代入r 式 “- t 。一= t 。一熄 即得： ”t n + 尹1 卜：匕，l ( 挂t - tj 彬+ s 一警( 蕞 汜z ， 公式( 2 ，1 8 ) 、( 2 1 9 ) 即为供热系统运行调节的基本公式，基本公式表示：在按需供热的条 。皇堑塑墼丝些丝垄丝垒坠一 件r ，用户室温要达到k 值，供热系统供网水温度k 、t h ，流最g 及混合比u 随室外气温t w 的变化必须遵循的关系。 运行调1 i 追求的目标应使用户室温达到设计室温，因此，公式( 2 2 0